Naturtalent Lignin

Wie das Verfahren im Kleinen bereits funktioniert, kann man in den Laborräumen der Universität Mainz begutachten. Hier arbeitet Siegfried Waldvogel Tag für Tag mit gelöstem Lignin, das ihm von Zellstoffherstellern zugesendet wird. Dessen Elektrolyse vollzieht sich in mehreren Schritten: „Zunächst lösen wir die benötigten Bausteine aus dem Polymer heraus“, sagt Waldvogel. Dafür setzen seine Forscherkollegen das in Natronlauge gelöste Lignin in einem Druckbehälter aus Edelstahl unter Strom.

Aus diesem ersten Schritt, der Depolymerisation, entstehen Phenole, die anschließend mithilfe eines Katalysators mit Wasserstoff reagieren. War diese Hydrierung erfolgreich, erhalten die Forscher wachsartige Cyclohexanole, die im finalen Schritt in einer großen Glaszelle oxidiert werden. „Nach Abschluss der Oxidation bekommen wir biobasierte Dicarbonsäuren, beispielsweise substituierte Adipinsäure, die zur Weiterverarbeitung in Copolymere genutzt werden können“, sagt Waldvogel.

Im Mainzer Labor geht es um die Grundlagen­forschung, die produzierten Mengen sind dementsprechend gering. Künftig soll die Elektrolyse von Lignin in großem Maßstab stattfinden: „Während die Schritte bis zu den Cyclohexanolen extern durchgeführt werden, wollen wir die Oxidation zu den Adipinsäurederivaten bei Evonik vornehmen, sobald es wirtschaftlich sinnvoll ist“, erklärt Polymerspezialist Weinelt. „Die Kooperation mit der Universität Mainz ist die beste Basis, um unser elektrochemisches Know-how in diese Richtung zu vertiefen.“

Aktuell fokussieren sich die Forscher darauf, Verfahren und Ausbeute zu optimieren. Es geht um Menge und Qualität: Je reiner die aus Mainz gelieferten Produkte, desto mehr können die Evonik-Polymerspezialisten in Marl damit anfangen. Etwa Dr. Franz-Erich Baumann, der dort seit mehr als drei Jahrzehnten die Entwicklung von Basispolymeren vorantreibt. Baumanns Labor steht voller Messgeräte und Apparaturen, mit denen er die frisch eingetroffenen Dicarbonsäuren zunächst untersucht: Eignen sie sich überhaupt für eine Weiterverarbeitung zu einem Copolymer? Ist das der Fall, beginnt die Prüfung, mit welchen potenziellen Partnern – weitere Monomere und Diamine – sie sich kombinieren lassen. „Diese Kombination verleiht dem Polyamid am Ende seine charakteristischen Merkmale“, sagt Baumann. „Die Adipinsäure auf Lignin-Basis ist ein wichtiger Baustein, mit dem wir diese Eigenschaften beeinflussen können.“ Ein Baustein, dessen Anteil je nach Kombination bis zu 62 Prozent der gesamten Stoffmenge ausmacht.

Erweist sich eine Verbindung als aussichtsreich, ­beginnt die Polykondensation: Die Ausgangsstoffe werden in einen Reaktor in Form eines Stahlzylinders gefüllt, wo sie unter starker Hitze und hohem Druck miteinander reagieren. Nach einiger Zeit öffnet Baumann dann den erkalteten Zylinder und holt mit einer Zange vorsichtig ein schmales Röhrchen hervor, in dem sich eine erstarrte weißliche Schmelze befindet: ein neues Polyamid. „Jedes Mal, wenn uns das gelingt, wird unser Baukasten ein Stück größer.“

Die Verwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. So könnten schon in naher Zukunft Lifestyleprodukte wie Sonnenbrillen aus Polyamiden gefertigt werden, die auch auf Lignin-basierten Monomeren beruhen. Das Gleiche gilt für Komponenten, die heute aus Metall und Stahl gefertigt werden, beispielsweise in der Automobil- oder Bauindustrie. Doch so weit sind die Forscher noch nicht.

„Für eine Produktion im industriellen Maßstab müssen wir effizienter werden und das vielfältige Know-how klug bündeln“, sagt Frank Weinelt, der dazu jetzt verstärkt mit den Ingenieuren der Verfahrenstechnik zusammenarbeitet. Darüber hinaus halten die Polymerspezialisten die Augen offen auf der Suche nach weiteren biogenen Rohstoffen, auch aus unkonventionellen Quellen. Schließlich hat die Erfahrung ­gezeigt, dass selbst in manch trüber Brühe Chancen auf ein wahres Naturtalent stecken.

Fotos: Casey McCallister / stocksy.com, Robert Eikelpoth (2)

Infografik: Maximilian Nertinger

Illustration: Oriana Fenwick / Kombinatrotweiss mit Fotovorlage von Caren Detje